CN111817670A - 一种c波段超宽带高增益低噪声放大器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，在电流复用结构上结合并联负反馈结构，同时在射频电路输入、输出端均采用高通滤波网络来实现，能够在C波段4～8GHz全频段内实现较好的噪声和较高的增益，并且能够实现4～8GHz超宽带内的阻抗匹配并改善增益平坦度。

Description

一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片
技术领域
本发明属于微波单片集成电路技术领域，具体涉及一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片的设计。
背景技术
微波单片集成电路(MMIC)因其体积小、一致性好、成品率高、可靠性高等优点，已经越来越多地应用到各种无线通信系统中。低噪声放大器是现代雷达、射频通信、测试仪器、电子战系统中的重要部件，它主要将接收机接收到的微弱信号进行放大，降低噪声干扰。低噪声放大器位于射频接收机前端，对整个系统的噪声特性起决定性作用，这就要求它的噪声系数越小越好；为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益；同时，根据卫星通信系统的要求，低噪声放大器必须做到宽频带阻抗匹配，提供足够的增益平坦度。因此，设计性能优良的低噪声放大器对提高通信系统接收机灵敏度和通信质量有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了在C波段4～8GHz全频段内实现较低的噪声和较高的增益，并保证宽频带阻抗匹配，提出了一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片。
本发明的技术方案为：一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，包括晶体管M1，晶体管M1的栅极通过电感L2与第一高通滤波网络的输出端连接，其源极分别与M1管第一自偏网络以及M1管第二自偏网络连接，其漏极通过微带线TL1与电流复用网络的输入端连接，第一高通滤波网络的输入端为低噪声放大器芯片的射频输入端RFIN；电流复用网络的输出端分别与电容C7的一端、并联负反馈网络的一端以及电源滤波网络连接，并联负反馈网络的另一端与电流复用网络连接，电容C7的另一端与第二高通滤波网络的输入端连接，第二高通滤波网络的输出端为低噪声放大器芯片的射频输出端RFOUT。
进一步地，第一高通滤波网络包括电容C1和接地电感L1，电容C1的一端作为第一高通滤波网络的输入端，其另一端与接地电感L1连接，并作为第一高通滤波网络的输出端。
进一步地，M1管第一自偏网络包括接地电阻R1和接地电容C2，接地电阻R1和接地电容C2均与晶体管M1的源极连接。
进一步地，M1管第二自偏网络包括接地电阻R2和接地电容C3，接地电阻R2和接地电容C3均与晶体管M1的源极连接。
进一步地，电流复用网络包括晶体管M2，晶体管M2的栅极通过微带线TL2分别与电阻R3的一端以及电容C4的一端连接，其源极通过微带线TL3分别与电感L4的一端以及接地电容C6连接，其漏极与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端作为电流复用网络的输出端；电阻R3的另一端分别与电感L3的一端、电感L4的另一端以及接地电阻R4连接，电感L3的另一端与电容C4的另一端连接，并作为电流复用网络的输入端。
进一步地，并联负反馈网络包括依次连接的电阻R5、电感L5以及电容C5，电阻R5的一端与电感L5的一端连接，其另一端通过微带线TL2与晶体管M2的栅极连接，电容C5的一端与电感L5的另一端连接，其另一端通过微带线TL4与晶体管M2的漏极连接。
进一步地，电源滤波网络包括电感L6，电感L6的一端与电流复用网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R7的一端、接地电容C9以及电源VDD连接，电阻R7的另一端与接地电容C8连接。
进一步地，第二高通滤波网络包括电容C10和接地电感L7，电容C10的一端作为第二高通滤波网络的输出端，其另一端与接地电感L7连接，并作为第二高通滤波网络的输入端。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在电流复用结构上结合并联负反馈结构，同时在射频电路输入、输出端均采用高通滤波网络来实现，能够在C波段4～8GHz全频段内实现较好的噪声(小于1dB)和较高的增益(大于25dB)，并且能够实现4～8GHz超宽带内的阻抗匹配(驻波小于1.8)并改善增益平坦度(平坦度小于±0.3dB)。
(2)本发明采用电流复用结构提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，使放大器能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度。
(3)本发明在电流复用网络的晶体管M2的漏极和栅极之间连接了并联负反馈网络，易于实现较好的输入、输出匹配，并且能够在低频段通过电阻R5控制增益大小，在高频段降低负反馈深度，从而获得平坦的增益。
(4)本发明在射频输入、输出端均采用高通滤波网络，这样一方面可以抑制低频增益，改善增益平坦度，另一方面在晶体管M2的输出端采用高通滤波网络可以将晶体管的低频输出阻抗降低，更加易于实现宽带阻抗匹配。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片电路示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，如图1所示，包括晶体管M1，晶体管M1的栅极通过电感L2与第一高通滤波网络的输出端连接，其源极分别与M1管第一自偏网络以及M1管第二自偏网络连接，其漏极通过微带线TL1与电流复用网络的输入端连接，第一高通滤波网络的输入端为低噪声放大器芯片的射频输入端RFIN；电流复用网络的输出端分别与电容C7的一端、并联负反馈网络的一端以及电源滤波网络连接，并联负反馈网络的另一端与电流复用网络连接，电容C7的另一端与第二高通滤波网络的输入端连接，第二高通滤波网络的输出端为低噪声放大器芯片的射频输出端RFOUT。
本发明实施例中，第一高通滤波网络包括电容C1和接地电感L1，电容C1的一端作为第一高通滤波网络的输入端，其另一端与接地电感L1连接，并作为第一高通滤波网络的输出端。
本发明实施例中，M1管第一自偏网络包括接地电阻R1和接地电容C2，接地电阻R1和接地电容C2均与晶体管M1的源极连接。
本发明实施例中，M1管第二自偏网络包括接地电阻R2和接地电容C3，接地电阻R2和接地电容C3均与晶体管M1的源极连接。
本发明实施例中，电流复用网络包括晶体管M2，晶体管M2的栅极通过微带线TL2分别与电阻R3的一端以及电容C4的一端连接，其源极通过微带线TL3分别与电感L4的一端以及接地电容C6连接，其漏极与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端作为电流复用网络的输出端；电阻R3的另一端分别与电感L3的一端、电感L4的另一端以及接地电阻R4连接，电感L3的另一端与电容C4的另一端连接，并作为电流复用网络的输入端。
本发明实施例中，并联负反馈网络包括依次连接的电阻R5、电感L5以及电容C5，电阻R5的一端与电感L5的一端连接，其另一端通过微带线TL2与晶体管M2的栅极连接，电容C5的一端与电感L5的另一端连接，其另一端通过微带线TL4与晶体管M2的漏极连接。
本发明实施例中，电源滤波网络包括电感L6，电感L6的一端与电流复用网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R7的一端、接地电容C9以及电源VDD连接，电阻R7的另一端与接地电容C8连接。
本发明实施例中，第二高通滤波网络包括电容C10和接地电感L7，电容C10的一端作为第二高通滤波网络的输出端，其另一端与接地电感L7连接，并作为第二高通滤波网络的输入端。
本发明实施例中，C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片工作频段为4～8GHz，选择晶体管M1大小为4*75um，漏压为1.3V，栅压为-460mV；选择晶体管M2大小为6*55um，漏压为2.2V，栅压为-570mV。最终可实现放大器增益为26dB，并具备0.5dB正斜率，噪声系数为0.7dB，P_1为14.5dBm，输入驻波为1.5，输出驻波为1.7，电源功耗为+5V/55mA。
下面结合图1对本发明的工作原理及过程作详细描述：
如图1所示，本发明在电流复用结构上结合并联负反馈结构，同时在射频电路输入、输出端均采用高通滤波网络来实现，能够在C波段4～8GHz全频段内实现较好的噪声(小于1dB)和较高的增益(大于25dB)，并且能够实现4～8GHz超宽带内的阻抗匹配(驻波小于1.8)并改善增益平坦度(平坦度小于±0.3dB)。
本发明实施例中，晶体管M1和电流复用网络共同构成了电流复用结构，其提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，使放大器能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度。在设计时，对于电流复用结构中的晶体管M1，尽可能的满足最佳噪声匹配，对于晶体管M2尽可能的满足最高增益匹配，这样放大器既可以拥有较好的噪声，也可以实现较高的增益。同时，采用电流复用结构还可以减小电路的功耗。
并联负反馈网络的基本电路形式是在晶体管M2的漏极和栅极之间加载一个电阻R5，构成一个负反馈回路。其作用是能够稳定器件，使输入输出阻抗接近50欧姆，这样易于实现较好的输入、输出匹配。同时，并联负反馈技术能够在低频段通过电阻R5控制增益大小，在高频段降低负反馈深度，从而获得平坦的增益。
进一步的，本发明实施例在射频输入、输出端均采用高通滤波网络，这样一方面可以抑制低频增益，改善增益平坦度，另一方面在晶体管M2的输出端采用高通滤波网络可以将晶体管的低频输出阻抗降低，更加易于实现宽带阻抗匹配。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，包括晶体管M1，所述晶体管M1的栅极通过电感L2与第一高通滤波网络的输出端连接，其源极分别与M1管第一自偏网络以及M1管第二自偏网络连接，其漏极通过微带线TL1与电流复用网络的输入端连接，所述第一高通滤波网络的输入端为低噪声放大器芯片的射频输入端RFIN；所述电流复用网络的输出端分别与电容C7的一端、并联负反馈网络的一端以及电源滤波网络连接，所述并联负反馈网络的另一端与电流复用网络连接，所述电容C7的另一端与第二高通滤波网络的输入端连接，所述第二高通滤波网络的输出端为低噪声放大器芯片的射频输出端RFOUT。
2.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述第一高通滤波网络包括电容C1和接地电感L1，所述电容C1的一端作为第一高通滤波网络的输入端，其另一端与接地电感L1连接，并作为第一高通滤波网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述M1管第一自偏网络包括接地电阻R1和接地电容C2，所述接地电阻R1和接地电容C2均与晶体管M1的源极连接。
4.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述M1管第二自偏网络包括接地电阻R2和接地电容C3，所述接地电阻R2和接地电容C3均与晶体管M1的源极连接。
5.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电流复用网络包括晶体管M2，所述晶体管M2的栅极通过微带线TL2分别与电阻R3的一端以及电容C4的一端连接，其源极通过微带线TL3分别与电感L4的一端以及接地电容C6连接，其漏极与微带线TL4的一端连接，所述微带线TL4的另一端作为电流复用网络的输出端；所述电阻R3的另一端分别与电感L3的一端、电感L4的另一端以及接地电阻R4连接，所述电感L3的另一端与电容C4的另一端连接，并作为电流复用网络的输入端。
6.根据权利要求5所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述并联负反馈网络包括依次连接的电阻R5、电感L5以及电容C5，所述电阻R5的一端与电感L5的一端连接，其另一端通过微带线TL2与晶体管M2的栅极连接，所述电容C5的一端与电感L5的另一端连接，其另一端通过微带线TL4与晶体管M2的漏极连接。
7.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电源滤波网络包括电感L6，所述电感L6的一端与电流复用网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R7的一端、接地电容C9以及电源VDD连接，所述电阻R7的另一端与接地电容C8连接。
8.根据权利要求1所述的C波段超宽带高增益低噪声放大器芯片，其特征在于，所述第二高通滤波网络包括电容C10和接地电感L7，所述电容C10的一端作为第二高通滤波网络的输出端，其另一端与接地电感L7连接，并作为第二高通滤波网络的输入端。
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